何璟嫕 周靜雯 趙堃 徐云強 蘇保林

摘要：為了對面源污染進行總量控制，需要對減排潛力進行合理評估，減排潛力的定量化是基于對減排措施進行優(yōu)選，制定一套可行的、兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟成本的減排方案。以常州市為案例分析面源污染的減排潛力，采用能同時進行定量和定性分析的層次分析法對減排方案進行多目標(biāo)優(yōu)化，選取總氮削減率、總磷削減率、氨氮削減率、COD削減率作為環(huán)境指標(biāo)，建設(shè)成本和運行成本作為經(jīng)濟指標(biāo)，備選減排措施從常州市及其周邊的示范工程和試驗工程選取，確保其可操作性。以2014年為基準(zhǔn)年，根據(jù)排污系數(shù)法估算常州市面源污染排放總量并根據(jù)優(yōu)化措施計算削減量，分析各污染指標(biāo)的減排潛力。研究列出了常州市面源污染適用減排措施清單，并運用層次分析法對減排工程措施進行優(yōu)選，得到了2014年常州市面源污染在綜合考慮環(huán)境效益和經(jīng)濟成本下的減排潛力。

關(guān)鍵詞：面源污染；層次分析法；減排潛力；最佳管理措施（BMPs）；畜禽養(yǎng)殖

中圖分類號：X32文獻標(biāo)志碼：A文章編號：16721683（2018）03011008

Optimization of emission reduction measures and assessment of emission reduction potential for Changzhou city

HE Jingyi1，ZHOU Jingwen2，ZHAO Kun1，XU Yunqiang1，SU Baolin1

（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；

2.The Shangzhuang Village Committee of Shangzhuang Town，Beijing 100875，China）

Abstract：In order to control the total amount of nonpoint source pollution，it is necessary to make a reasonable assessment of the potential of emission reduction.The quantification of emission reduction potential is based on the optimization of emission reduction measures and the development of a feasible emission reduction plan with consideration to both environmental benefits and economic cost.In this study，we took Changzhou City as an example to analyze the emission reduction potential of nonpoint source pollution.We conducted multiobjective optimization of the emission reduction schemes by using the analytic hierarchy process （AHP），which can carry out quantitative and qualitative analysis at the same time.With the technical feasibility，economic rationality and operability as guidelines，we took total nitrogen reduction rate，total phosphorus reduction rate，ammonia reduction rate，COD reduction rate as environmental indexes，and construction costs and operating costs as economic indexes.We selected alternative emission reduction measures from the demonstration projects and pilot projects in Changzhou and its surrounding areas to ensure their operability.With 2014 as the base year，we estimated the total amount of nonpoint source pollution in Changzhou using the pollution coefficient method and calculated the reductions according to the optimization measures，and thus we analyzed the emission reduction potential of each pollutant index.We put forward a list of emission reduction measures suitable for nonpoint source pollution in Changzhou，and used the analytic hierarchy process to optimize the emission reduction measures，and determined the emission reduction potential of nonpoint source pollution in Changzhou in 2014 with consideration to both environmental benefits and economic costs.

Key words：nonpoint source （NPS） pollution；analytic hierarchy process （AHP）；emissions reduction potential；best management practices （BMPs）；livestock and poultry breeding

面源污染，也稱非點源污染，主要指大氣、地表和土壤中非特定地點不確定數(shù)量的污染物在不確定的時間進入江河、湖泊、水庫等所引起的水體污染[1]。最早關(guān)注面源治理的是美國，美國于1972年將面源治理的相關(guān)內(nèi)容寫入到《清潔水法》中，提出了最佳管理措施（Best Management Practices，BMPs），并對概念進行了定義和解釋，同時提出了多個實用模型，用來估測措施的實施效果[2]。國內(nèi)外關(guān)于BMPs的研究多集中于BMPs方案設(shè)計及評估擇優(yōu)，而對于多個BMPs的優(yōu)化集成研究較少。除采用模型的方法進行情景分析，國內(nèi)也有學(xué)者采用層次分析法對減排方案進行優(yōu)化和選擇[3]。就目前研究現(xiàn)狀來看，我國措施的優(yōu)化方法案例較少，而且多關(guān)注技術(shù)層面，從環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益等方面對面源污染減排方案進行優(yōu)選和效果評估，將是今后的研究方向。國內(nèi)外關(guān)于減排潛力的評估大多采用模型模擬的方法，通過設(shè)定不同情境來分析計算，或者基于現(xiàn)狀減排條件來計算排放量，采用對措施進行優(yōu)化集成后評估減排潛力的研究較少。本研究以常州市為案例分析面源污染的減排潛力，對減排工程方案進行優(yōu)化研究，并進行實證分析，計算應(yīng)用最優(yōu)減排措施的削減量和投資成本。傳統(tǒng)優(yōu)化方法有靈敏度分析法、遺傳算法等，這些優(yōu)化算法過程復(fù)雜繁瑣，尋優(yōu)結(jié)果受主觀影響大。本文采用能同時進行定量和定性分析的層次分析法對減排方案進行多目標(biāo)優(yōu)化，從量的層面對減排方案進行效益評估，并對各個方案從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性以及可操作性三方面進行綜合評價，以期為農(nóng)業(yè)非點源污染的控源減排工作提供參考。

第16卷 總第96期·南水北調(diào)與水利科技·2018年6月何璟嫕等·常州市面源污染減排優(yōu)化和減排潛力研究1研究區(qū)概況

常州位于江蘇省南部的太湖流域水網(wǎng)平原，是長江三角洲中心地帶，常州四季分明、雨量充沛、日照豐富，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的自然條件[4]：全市水資源豐富，水面約占土地總面積的1/5，水資源總量為163億m3，其中可利用養(yǎng)殖水面面積約33萬hm2；常州市耕地面積廣闊，種植類型以水稻小麥輪作為主，面積4 257 hm2，旱地種植面積較小，約346 hm2，農(nóng)民大量施用化肥和農(nóng)藥，造成大量氮素和磷素進入水體，加速了流域水體的污染和富營養(yǎng)化。常州市畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模較大，養(yǎng)殖污染物的排放是影響水質(zhì)的一項重要污染來源。此外，常州市水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)，以池塘養(yǎng)殖為主，養(yǎng)殖中投放過量餌料，加之魚藥的使用、水生動植物殘體分解等均對水體產(chǎn)生污染，養(yǎng)殖戶在換水時，直接將污水排入就近河道，影響水質(zhì)，造成養(yǎng)殖區(qū)附近水域的污染。一些農(nóng)戶家庭經(jīng)濟條件差，又保留傳統(tǒng)的生活習(xí)慣，肆意排放生活污水，將污水直接倒在農(nóng)田邊或者附近的水渠里，這些污水經(jīng)過溝渠或者匯集到水體里引起污染。

2常州面源污染減排措施優(yōu)化集成

2.1減排措施決策指標(biāo)

按照預(yù)防和源頭控制、遷移控制和末端治理3大類，整理了常州市面源污染適用控制技術(shù)。其中種植業(yè)污染控制技術(shù)主要有13種[510]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染控制技術(shù)主要有17種[1115]，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染控制技術(shù)主要有16種[1621]，農(nóng)村生活污染控制技術(shù)主要有13種[2223]。

從以上控制技術(shù)里挑選工程措施為對象進行方案比選，主要是因為工程措施有比較完整的污染物削減率指標(biāo)和成本指標(biāo)，能夠比較直觀的得到環(huán)境效益和經(jīng)濟成本，從而兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟成本，進行費用效益分析，選取總氮、氨氮、總磷和COD的削減率以及建設(shè)成本和運行成本作為評價指標(biāo)，整理各項措施的污染物削減率和經(jīng)濟指標(biāo)值，具體值見表1至表4。

化生態(tài)溝渠806580842 0000.202.2層次分析法優(yōu)選模型構(gòu)建

2.2.1層次結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)常州市面源污染治理情況以及現(xiàn)有文獻中相關(guān)工程措施的信息完整性[2426]，本文從環(huán)境效益和經(jīng)濟成本兩方面選擇評價指標(biāo)。其中，以總氮削減率、總磷削減率、氨氮削減率和化學(xué)需氧量削減率作為環(huán)境效益指標(biāo)，以建設(shè)成本和運行成本作為經(jīng)濟成本指標(biāo)。所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系見圖1。

2.2.2構(gòu)造判斷矩陣并計算權(quán)重

建立層次結(jié)構(gòu)模型后，需要對每一層次中的因素進行兩兩比較[27]。

（1）構(gòu)造準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的判斷矩陣AB。

根據(jù)常州市面源污染現(xiàn)狀和減排目標(biāo)，綜合分析準(zhǔn)則層各評價指標(biāo)，采取專家打分法對準(zhǔn)則層各影響因素的重要性進行評判，構(gòu)造判斷矩陣A。其中，本文設(shè)定面源污染控制技術(shù)方案的多目標(biāo)決策是從n個方案中選出最優(yōu)者，準(zhǔn)則層由6個評價指標(biāo)組成，記為ai（i=1，2，…，6），分別代表總氮、總磷、氨氮和COD削減率、建設(shè)成本、運行成本

AB=A=a11…a16

…

an1…an6

（2）構(gòu)造準(zhǔn)則層每個評價因子對方案層的判斷矩陣BC。

BC=Bi（i=1，2，…，6）=b11…b16

…

bn1…bn6

（3）幾何平均法（方根法）計算權(quán)重[28]。

Wi=（∏nj=1aij）1n∑ni=1（∏nj=1aij）1n，i=1，2，…，n（1）

計算方法：①將判斷矩陣的元素按行相乘，得到新向量；②將新向量的每個分量開n次方；③將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

2.2.3層次單排序及其一致性檢驗

（1）計算一致性指標(biāo)CI。

CI=λmax-nn-1（2）

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

（2）查找隨機一致性指標(biāo)RI（見表5）。

當(dāng)CR<010時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。

2.2.4層次總排序及其一致性檢驗

最終要得到方案層對目標(biāo)層的權(quán)重，從而得到方案的優(yōu)劣順序，進行方案選擇，需要計算各層要素對總目標(biāo)的合成權(quán)重，并按照下列公式對層次總排序進行一致性檢驗。

CI= ∑ni=1biCIi（4）

RI=∑ni=1biRIi（5）

CR=CI/RI（6）

式中：bi為B層（準(zhǔn)則層）中各指標(biāo)的層次權(quán)重；CI為層次總排序的一致性指標(biāo)；CIi為與bi對應(yīng)的該層次中判斷矩陣的一致性指標(biāo)；RI為層次總排序的隨機一致性指標(biāo)；RIi為與bi對應(yīng)的該層次中判斷矩陣的隨機一致性指標(biāo)；CR為層次總排序的隨機一致性比例。

2.3常州市面源污染減排工程方案優(yōu)選

2.3.1畜禽養(yǎng)殖污染工程方案優(yōu)選

按照污染源的不同，從畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村生活4個方面分別進行方案優(yōu)選。以畜禽養(yǎng)殖污染工程方案的決策為例，具體過程如下。

技術(shù)方案評價因子判斷矩陣A，總氮削減率、總磷削減率、氨氮削減率、COD削減率、建設(shè)成本和運行成本判斷矩陣B1、B2、B3、B4、B5、B6分別為：

對矩陣A進行一致性檢驗：

CI=λ-nn-1=6.2424-66-1=0.0485

CR=CIRI=0.04851.24=0.04<0.10

根據(jù)計算結(jié)果確定矩陣A滿足一致性條件，得到總氮削減率、總磷削減率、氨氮削減率、COD削減率、建設(shè)成本和運行成本6個指標(biāo)的權(quán)重是（02520，00680，01527，03114，01080，01080）。

根據(jù)以上方法計算其他判斷矩陣的指標(biāo)權(quán)重及一致性指標(biāo)，得到表7。

控制方案總權(quán)重CDEF農(nóng)田種植畜禽養(yǎng)殖水產(chǎn)養(yǎng)殖農(nóng)村生活10.07460.33240.11220.407020.19690.11600.10650.159830.55720.36610.50580.291040.18730.18550.28150.1226說明：表中每列數(shù)值分別代表農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)村生活在其相對應(yīng)的4類控制方案下（表1到表4）的總權(quán)重。

之；對于畜禽養(yǎng)殖污水處理，組合式穩(wěn)定塘處理工藝最佳，土地滲濾處理系統(tǒng)次之；對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染，序批式生物膜法處理養(yǎng)殖廢水為最佳工程方案，沼氣池/生態(tài)塘處理工藝次之；對于農(nóng)村生活污水處理，塔式生態(tài)濾池人工濕地系統(tǒng)最佳，戶用生態(tài)濾池次之。

3常州面源污染減排潛力計算

常州市面源污染減排潛力的評估，是基于預(yù)防和源頭控制措施等，都按照相關(guān)政府和規(guī)范的治理要求，并得到了較好地實施和執(zhí)行，因此主要針對后續(xù)末端治理的措施來計算最大削減量，評估減排潛力。

以2014 年為基準(zhǔn)年，根據(jù)排污系數(shù)法得到常州市農(nóng)田種植、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)村生活污染物排放總量（表12），將優(yōu)選出的4項工程措施分別應(yīng)用于各類污染的末端治理，結(jié)合常州市污染和減排現(xiàn)狀擬定工程個數(shù)，計算污染物削減量，并根據(jù)工程個數(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)計算建設(shè)成本和運行成本（表13）。

農(nóng)田種植：最優(yōu)措施為水生植物菌藻生物膜復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)處理工藝，該工程是一種納污河道原位處理技術(shù)，屬于表面流人工濕地的一種，利用水生植物菌藻共生系統(tǒng)，配合人工填料等，對入河污水進行處理。該技術(shù)措施具有因地制宜、就地處理、處理系統(tǒng)靈活多樣的特點，治理目標(biāo)兼容了水環(huán)境的整治和水生態(tài)建設(shè)，可大量減少管網(wǎng)建設(shè)、投資運營費用等。在平原河網(wǎng)地區(qū)，水系發(fā)達(dá)，根據(jù)肥料流失系數(shù)計算的污染負(fù)荷量與農(nóng)田徑流污染的入河量相當(dāng)，因此，在進行潛力計算時，直接根據(jù)污染物排放量和工程措施的削減率進行計算。

畜禽養(yǎng)殖：最優(yōu)措施為組合式穩(wěn)定塘處理工藝，該工藝主要利用不同類型的穩(wěn)定塘來凈化污水。穩(wěn)定塘是通過改造天然坑塘或者人工修建池塘，依靠塘內(nèi)的微生物來處理污水，其凈化過程與自然水體的自凈過程相似。養(yǎng)殖污水經(jīng)過固液分離、自然塘、好氧塘、高效氧化塘、藻類沉降塘、生態(tài)塘等聯(lián)合作用后，實現(xiàn)多級凈化效果。依據(jù)該工藝進行削減量計算時，假定養(yǎng)殖廢水在管網(wǎng)收集過程中無流失，能夠全部進入到該工藝進行處理。

水產(chǎn)養(yǎng)殖：最優(yōu)措施為序批式生物膜法處理工藝，該工藝通過在傳統(tǒng)生物膜反應(yīng)器內(nèi)填裝不同的填料，為微生物提供良好的生長環(huán)境。在縱向上微生物構(gòu)成一個由細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物、后生動物等多個營養(yǎng)級組成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，橫向上構(gòu)成具有多種不同活動能力、呼吸類型、營養(yǎng)類型的微生物系統(tǒng)。該工藝占地面積小，節(jié)省基建費用，易于運行管理。常州市針對百畝連片的池塘推進循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)，在2020年實現(xiàn)100%推廣比例，因此，該工藝僅針對非百畝連片的池塘廢水進行處理并計算削減量。

農(nóng)村生活：最優(yōu)措施為塔式生態(tài)濾池人工濕地系統(tǒng)，該工藝組合了厭氧、好氧和兼氧單元，在塔式生態(tài)濾池中，利用蚯蚓吞食有機物、提高土壤滲透性能和蚯蚓與微生物的協(xié)同作用等生態(tài)學(xué)功能實現(xiàn)污水的生態(tài)處理，后續(xù)根據(jù)土地現(xiàn)狀增加適當(dāng)規(guī)模的濕地處理單元，提高出水水質(zhì)。該工藝基建和運行管理費用較低，氮磷的去除能力強，蚯蚓生態(tài)濾池占地面積較小，也可根據(jù)地形調(diào)節(jié)裝置。進行削減量計算時，假定生活污水經(jīng)管網(wǎng)集中收集過程中沒有流失，全部進入到污水處理單元。

結(jié)合資料和已有示范工程，確定表中工程個數(shù)：（1）農(nóng)田種植：農(nóng)田種植總面積為4 603 hm2，以667 hm2為一個單位，對應(yīng)建設(shè)一項減排工程；（2）畜禽養(yǎng)殖：將常州市畜禽養(yǎng)殖總量折算成豬當(dāng)量[30]，養(yǎng)殖總量為218萬頭豬，以10 000頭為一個單位，對應(yīng)建設(shè)一項減排工程；（3）水產(chǎn)養(yǎng)殖：養(yǎng)殖總面積為39萬hm2，以667 hm2為一個單位，對應(yīng)建設(shè)一項減排工程；（4）農(nóng)村生活：鄉(xiāng)村總戶數(shù)為7465萬戶，以300戶為一個單位，對應(yīng)建設(shè)一項減排工程。

4結(jié)論和不足

4.1結(jié)論

本研究通過實地調(diào)研和總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻，從管理性措施和工程性措施兩方面，總結(jié)了目前常用的面源污染減排措施。以常州市的情況為例，以2014 年為基準(zhǔn)年，根據(jù)農(nóng)田化肥施用量、畜禽養(yǎng)豬當(dāng)量、水產(chǎn)養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖總量、農(nóng)村人口狀況等，通過排污系數(shù)法估算排污量。通過計算分別得到TN、TP、NH+4N和COD的排放總量，其中畜禽養(yǎng)殖污染排放量所占比重均是4類污染物排放總量的最大。其中畜禽養(yǎng)殖排放占得比值最大；因此，畜禽養(yǎng)殖污染對面源污染的貢獻率最高，應(yīng)作為首要減排對象。然后針對不同類型的污染，各選取4項工程措施，以總氮削減率、總磷削減率、氨氮削減率、COD削減率、建設(shè)成本和運行成本作為評價指標(biāo)，采用層次分析法進行優(yōu)選，得出不同污染類型的最優(yōu)治理方案。對于農(nóng)田尾水處理，水生植物菌藻生物膜復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)；對于畜禽養(yǎng)殖污水處理，組合式穩(wěn)定塘處理工藝最優(yōu)；對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染，序批式生物膜法處理養(yǎng)殖廢水最優(yōu)；對于農(nóng)村生活污水處理，塔式生態(tài)濾池人工濕地系統(tǒng)最優(yōu)。最后將最優(yōu)工程方案應(yīng)用于常州市面源污染治理，估算減排潛力并計算經(jīng)濟成本。TN、TP、NH+4N和COD的減排潛力分別為9 186 t、2 098 t、6 194 t、70 254 t，從各項污染指標(biāo)的潛力來看，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理潛力最大；4類不同污染類型的治理投資中，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)污染治理成本最高，為15 333萬元，畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理成本最低，為6 659萬元。

4.2不足

研究中進行技術(shù)優(yōu)選的技術(shù)方案，經(jīng)濟成本中以建設(shè)成本和投資成本為指標(biāo)，實際中應(yīng)該考慮土地成本，但鑒于土地成本受到當(dāng)?shù)貙嶋H情況的限制，無法統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)，沒有作為評價指標(biāo)。另外，優(yōu)選的工程措施是基于現(xiàn)有工程的相關(guān)指標(biāo)進行削減量和成本估算，在實際應(yīng)用中要因地制宜，根據(jù)污染治理需要和實地情況對工程方案進行調(diào)整和改進。后續(xù)研究應(yīng)該基于工程方案的各項指標(biāo)進行更加全面的評價和優(yōu)選，并將管理性措施也納入到優(yōu)選工作中，進行定性和定量的雙重評價。

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